機械臂關節驅動組件一體化結構設計

楊素香 ，馮 旭 ，王孝利 ，王紅香

(1.中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233； 2.中國人民解放軍駐上海航天局中心軍代室，上海 200100)

機械臂關節驅動組件一體化結構設計

楊素香1，馮 旭1，王孝利2，王紅香1

(1.中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233； 2.中國人民解放軍駐上海航天局中心軍代室，上海 200100)

介紹了一種機械臂關節驅動組件，由無刷直流電動機、行星減速器、角度傳感器(旋轉變壓器)和電磁制動器組成。集驅動、減速、傳感和制動為一體，提出了關節驅動組件的一體化設計思路。無刷直流電動機與角度傳感器之間增加抗干擾設計，實現了強弱電信號的隔離。樣機測試結果表明，該驅動組件體積小、重量輕、控制精度高、運行平穩，可滿足各類機械臂關節驅動機構的要求，具有重要的應用價值。

機械臂關節；驅動組件；一體化結構設計

0 引 言

隨著計算機、自動化技術和原子能技術的飛速發展，機器人被廣泛應用于航空航天、工業自動化和智能裝備等行業，在軍事和國民工業領域有著廣闊的發展前景[1-7]。

在機器人工業中，機械臂作為機器人操作的支撐部件，為末端操作器的精確運動提供技術支撐。機械臂關節是保證機械臂運動能力、運動精度、運動平穩性以及運動安全性等一系列問題的關鍵[8-10]。目前針對高精度伺服控制的機械臂關節控制需要具備操作靈活、控制方便、搜索定位準確、具有一定抓取力的要求，傳統的多部件實現已經不能滿足要求。因此，需要一種新型驅動組件保證機械臂關節驅動具有更小的體積、更輕的重量，實現多功能高精度驅動，同時滿足關節驅動低速穩定性、定位精度高、具有鎖定功能的系統要求。本文介紹了一種一體化結構的機械臂關節驅動組件，以無刷直流電動機作為動力源，角度傳感器(旋轉變壓器)作為伺服驅動位置、速度傳感器，齒輪機構作為減速大轉矩輸出部件，電磁制動器部分作為在運動機構的鎖定控制。通過一體化結構設計，體積更為緊湊、重量輕、控制精度高，經減速后可直接驅動負載，回差低，減少了傳動功率損耗，提高了驅動組件的工作效率。

1 關節驅動組件結構

關節驅動組件由無刷直流電動機、行星減速器、角度傳感器、電磁制動器4部分組成，其結構圖如圖1所示。驅動主體采用可靠性高無刷直流電動機，通過一級減速達到大轉矩輸出的性能要求，為滿足精度控制要求，選用旋轉變壓器作為角度、速度傳感器，同時采用電磁失電制動器實現驅動電機斷電后關節的姿位保持。

2 驅動組件一體化設計

2.1一體化布局結構設計

關節驅動組件由4部分組成，為達到結構緊湊、體積重量小、多功能部件各指標的實現，結構設計過程中需遵循以下設計：

(1)為達到旋轉變壓器精度、制動力矩、輸出效率、回差、重量指標要求，根據各部件要求，結合各部件的指標實現的關鍵，合理分配各部件指標。

(2)為實現大轉矩輸出特性，無刷電機與減速器之間進行效率、重量的合理匹配，確定最佳效率點的參數分配，之間采用齒輪頭與緊固件連接。

(3)旋轉變壓器作為精度控制位置傳感器，其輸出信號的正弦性好壞直接影響到速度穩定性的控制精度，為避免無刷電機運行過程中對旋轉變壓器弱磁信號的干擾，在兩者之間采取隔離措施。

(4)電磁制動器作為實現電機組件具有鎖定功能部件，為滿足旋轉變壓器信號調整的可操作性，同時滿足電磁制動器工作氣隙的調整，在電機組件布局上將電磁制動器安放在尾部。

(5)為實現多部件之間的安全、合理連接，驅動組件采用同軸連接方式，即無刷直流電動機、角度傳感器、電磁制動器共軸，通過兩個滾動軸承實現轉軸支撐，該種連接方式具有結構緊湊、安裝可靠的特點。

(6)各部件之間的連接采用緊固件連接，電磁制動器的靜鐵心作為組件的后端蓋，護蓋安裝在電磁制動器定板上，可有效減少組件軸向長度，同時可降低對細長軸加工帶來的困難。

2.2各部件結構設計

2.2.1 無刷直流電動機

驅動組件的動力源采用高可靠性的無刷直流電動機，無刷電機結構采用內轉子正弦波結構電機，8極30槽，不等氣隙、分數槽繞組形式，轉子采用釤鈷永磁體，該結構電機具有齒槽力矩小，繞組正弦性好、低速運行平穩、效率高等特點，同時為滿足高精度控制的要求，位置傳感器采用分裝式旋轉變壓器，結構簡單、安裝方便、精度高。結構如圖2所示。

圖2 無刷電機結構圖

2.2.2 行星減速器

為了使整個組件體積小、重量輕、輸出扭矩大，行星減速器采用一級漸開線齒輪行星傳動，2K-H結構，選用NGW型式，該型式由內外嚙合和公用行星輪組成。它的結構簡單、軸向尺寸小，工藝性好，效率高。NGW型是動力傳動中應用最多、傳遞效率最大的一種行星傳動。結構如圖3所示。輸出軸、圓柱銷和墊圈一體化設計，內齒輪和軸承座一體化設計，這樣減少了零件數量，提高了部件強度，提高了產品可靠性。為了提高傳動效率，將運動副支承選用滾動摩擦，行星輪與銷軸之間裝上滾動軸承。

圖3 減速器結構圖

2.2.3 電磁制動器

電磁制動器作為驅動組件的鎖定機構，為實現驅動組件高可靠運行，防止電磁制動器產生更多的摩擦粉塵污染軸承等運動部件，結合摩擦粉塵產生的原理，摩擦粉塵產生有兩部分組成，一部分由制動時瞬時的高溫高壓下摩擦材料與制動盤材料間的相互磨損而產生的。另一部分是由于制動盤無軸向鎖定裝置而在高速旋轉時左右碰撞摩擦環而產生的。第一種情況磨損只能減少不能避免。對于第二種情況下的磨損則是可以避免的。

圖4 電磁制動器結構圖

通過采用將高速旋轉的制動盤限制在。定板組件的摩擦環和動鐵心組件的摩擦環之間，在制動盤高速旋轉時不致碰撞它兩端面的摩擦環。所以，在此種限位機構的應用下第二種情況就不產生摩擦粉塵了。

制動盤限位機構由擋板、彈簧片、非金屬墊板、鉚釘組成。當制動器制動時動鐵心組件在壓力彈簧的作用下迫使制動盤壓向定板組件，同時制動盤壓迫彈簧片使之產生形變并提高彈簧片彈性勢能。當解鎖后動鐵心組件在靜鐵心組件產生的電磁力作用下吸靠靜鐵心組件，同時彈簧片在前期集聚的彈性勢能作用下將制動盤推離定板組件而靠緊擋板。在此擋板的限制下使得旋轉的制動盤處于定板組件的摩擦片和動鐵心組件的摩擦片之間，該旋轉的制動盤將不與兩端面的任何個摩擦片接觸。所以該制動盤將進行無摩擦和無摩擦噪聲高速旋轉工作，在此狀態下不產生解鎖旋轉時摩擦粉塵。

2.2.4 部件隔離抗干擾設計

驅動組件在工作過程中，組件內部的角度傳感器輸出為模擬量的弱電信號，無刷電機在啟動、停止時會產生大電流沖擊，產生強磁場，旋轉變壓器輸出信號容易被周圍磁場干擾，使輸出的信號畸變。而該信號是保證驅動源無刷電機正常工作的關鍵，因此，為了防止無刷電機工作產生的磁場干擾角度傳感器輸出，影響無刷電機正常換向，需對兩部件之間進行磁場隔離處理，結構圖見圖2，旋轉變壓器機殼作為隔離材料，應選用不導磁的材料進行磁場隔離，同時該機殼作為軸承支撐用結構件，對機械強度有一定要求，一般選用鋁合金或不銹鋼作為結構件。通過觀察無刷電機在啟動、停止時旋轉變壓器失真度的分析、測試，通過磁場隔離后，旋轉變壓器信號的失真度為0.45%～0.54%，基本不會被干擾，隔離方案是合理有效的。

圖5 隔離材料結構圖

3 樣機測試

所研制關節驅動組件產品已成功應用于某機械臂關機機構中。圖6(a)～(e)為樣機實物照片。表1為樣機主要測試結果。

(a)無刷電機(b)行星減速器

(e) 驅動組件

指標要求值實測值額定轉矩T/(N·m)0.60.6額定轉速n/(r·min-1)600617額定電流i/A≤2.51.52效率≥70%71.1%傳動精度≤32制動電壓u/V1212制動力矩T/(N·m)≥0.63.2制動功耗P/W≤54.56制動方式斷電制動斷電制動激磁頻率f/Hz50005000電氣誤差±10%+6%尺寸≤φ60mm×130mmφ60mm×127mm重量m/kg≤1.51.44振動試驗3.3g(5～15Hz);10g(15～50Hz);30g(50～80Hz);10g(80～100Hz)沖擊試驗+6dB/oct(10～500Hz)500g(500～3000Hz)

樣機的性能測試結果表明，本文提出的一體化結構驅動組件是可行的，具有體積小、重量輕、控制精度高、輸出功率大等特點。

4 結 語

本文介紹了一種多功能一體化結構的關節驅動組件，驅動組件由無刷直流電動機、行星減速器、電磁制動器、角度傳感器(旋轉變壓器)組成，可有效降低關節驅動組件的體積、重量，適合各類機械臂關節驅動應用。對關節驅動組件的一體化結構、電磁制動器結構形式、防止相互干擾等進行了結構分析、設計。樣機測試結果表明,該一體化結構驅動組件體積小、重量輕、控制精度高、運行平穩，可滿足機械臂關節驅動機構的要求，具有重要應用價值。

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IntegrationMechanicalDesignofManipulatorJointDrivingGroupware

YANGSu-xiang1,FENGXu2,WANGXiao-li2,WANGHong-xiang1

(1.No.21 Research Institute of CETC,Shanghai 200233,China; 2.Miltary Repersentative Office in Shanghai Aerospace Burean,Shanghai 200100,China)

A manipulator joint driving groupware is recommended in this paper, which consists of a brushless permanent-magnet motor (BLPM), a planetary gear, a rotary transformer (RT) and an electromagnetic brake. The mechanical design of the manipulator joint driving groupware is presented for integrating the abilities of driving, deceleration, transducing and braking. Besides, the anti-jamming design is used for the connection between the BLPM and RT, which makes their electrical signals insulated between each other. The results of the prototype tests indicate that, the merits of the driving groupware, small volume, light weight, high control precision and steady operation, meet the demands of various manipulator joints with significant application value.

manipulator joint; driving groupware; integration mechanical design

2015-12-03

TM33

：A

：1004-7018(2016)11-0043-03